Bazele metodei de proiectare la foc a planşeelor compuse otel-beton

Transcript

1 Bazele metodei de proiectare la foc a planşeelor compuse otel-beton

2 PROGRAMUL DE INCERCARI LA FOC CARDINGTON Structura compusa otel-beton P+7E Dimensiuni in plan: 21m x 45m H: 33 m Inaltime etaj: 4.2 m

4 40-55% din grinzile de otel pot fi lasate fara protectie la foc, daca se protejeaza in mod corespunzator restul structurii metalice

6

7 Test 1: Grinda fixata lateral Scop: investigarea comportamentului unei grinzi incalzite inconjurate de o structura neancalzita - Grinda secundara (imbinari articulate) + structura adiacenta la nivelul 7 - Cuptor special pe gaz (8m x 3m): grinda incalzita 150 minute pe 8m (din cei 9m lungime), pastrand astfel imbinarile reci

8 Deplasare verticala (mm) Deplasare verticala Temperatura maxima Temperatura maxima ( C) Timp (min) Sageata maxima 232 mm (L/39) la 150 minute - nici un semn de cedare in timpul testului, doar o voalare locala a grinzii, in ambele capete, in interiorul zonei incalzite, in conditiile in care la 900 C otelul pastreaza aproximativ 6% din limita de curgere initiala; - grinda izolata simplu rezemata cu aceeasi sectiune compusa/ deschidere/ incarcare cedeaza la aproximativ 650 C Sageata (% din deschidere) Sageata = Deschidere/30 Test cadru Test standard Temperatura ( C)

9 Test 2: Cadru plan Scop: investigarea comportamentului unui cadru transversal, compus din 4 stalpi si 3 grinzi principale, complet incalzit - Cuptor special pe gaz (21m x 2.5m): structura incalzita 150 minute - Grinzile principale si secundare neprotejate; stalpii protejati pana la nivelul unui posibil tavan fals (zona de 800mm din partea superioara a stalpului, inclusiv imbinarile au ramas fara protectie)

10 Fara cedare la 150 minute, desi s-a produs voalarea zonei neprotejate a stalpilor, dupa 100minute Deplasare maxima verticala (mm) Deplasare maxima verticala Temperatura stalpului Timp ( min ) Temperatura maxima a stalpului ( C)

11 In faza de racire, cateva suruburi din imbinarile grinzilor secundare, de pe o parte a grinzii principale, au cedat Suruburile au fost forfecate datorita contractiei termice a grinzilor secundare in timpul racirii Contractia termica a generat forte de intindere importante, care s-au relaxat ca urmare a forfecarii suruburilor

12 Test 3: Compartiment in coltul cladirii (1) Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa neprotejate grinzile secundare, complet expuse la foc - Compartimentare zidarie 10m x 7.6m intr-un colt; sarcina termica 45kg lemn /mp distribuit pe suprafata pardoselii - Stalpii, imbinarile grinda-stalp si grinzile marginale au fost protejate la foc; grinzile interioare au ramas neprotejate

13

14 600 Deplasare maxima verticala Temperatura maxima 1200 Deplasare maxima verticala (mm) Temperatura maxima in otel ( C) Timp (min) Fara cedare 75 minute (timp corespunzator temperaturii maxime), desi temperatura maxima in grinda a fost de 1014 C (otel la 4% din rezistenta initiala) Sageata maxima 428 mm (aproximativ L/20)

15 Voalări locale au apărut în proximitatea unor îmbinări grindă-stâlp, dar, spre deosebire de Testul 2, şuruburile din îmbinare nu au cedat prin forfecare.

16 Test 4: Compartiment in coltul cladirii (2) Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa neprotejate grinzile secundare, complet expuse la foc - Compartimentare pe 54mp cu pereti usori REI120 intr-un colt; sarcina termica 40kg lemn /mp distribuit pe suprafata pardoselii - Stalpii, imbinarile grinda-stalp si grinzile marginale au fost protejate la foc, cu exceptia grinzii marginale exterioare E4/F4; grinzile interioare neprotejate A B C D E F m m

17 Temperatura ( C) 1,200 1,100 1, Medie Maxima Timp (min) Compartimentul a fost complet închis, cu toate uşile şi ferestrele închise. Pentru aportul de aer, după 55 si 64 minute, s-a demontat cate un panou de fereastra. Intre 94 si 100 minute toate ferestrele au fost distruse. Temperatura maxima a gazelor fierbinti a fost de 1051 o C dupa 102 minute Temparatura maxima a otelului a fost de 903 o C,in talpa inferioara a grinzii secundare centrale. Grinda de capat a avut temperaturi relativ reduse. Nici una din grinzi nu a prezentat voalari locale si nu au existat cedari locale in imbinari. Temperatura ( C) Grinda interna Grinda de capat Timp (min)

18 Test 5: Compartiment interior (1) Scop: investigarea posibilitatii redistribuirii eforturilor, in conditiile in care se lasa neprotejate toate grinzile - Compartimentare pe 340mp cu pereti usori REI120 pe toata latimea cladirii; sarcina termica 40kg lemn /mp distribuit pe suprafata pardoselii - Stalpii interiori si exteriori protejati pe toata inaltimea, incusiv imbinarile; toate grinzile, inclusiv cele marginale au ramas neprotejate A B C D E F m m

19 Temperatura ( C) Medie Maxima Temperatura maxima a gazelor fierbinti a fost 746 o C iar temperatura maxima in otel a fost 691 o C Timp (min) Sageata maxima a planseului - 557mm. Fara cedare, chiar daca au aparut voalari locale si fisuri in imbinari.

20 Test 6: Compartiment interior (2) Scop: evaluarea comportarii structurii intr-un scenariu real de incendiu - Compartimentare pe 154mp cu pereti zidarie intr-un colt; sarcina termica provenita din mobilare obisnuita pentru birouri, pentru un echivalent de 46kg lemn /mp; - Stalpii si imbinarile grinda-stalp cu protectie foc; toate grinzile principale si secundare, inclusiv imbinarile intre acestea, au ramas neprotejate

21

22 Temperatura atmosferica ( C) Fara cedare, desi s-au produs deplasari verticale importante (sageata maxima 640mm) Maxima Medie Timp (min) 700 Temperatura maxima gaze fierbinti C Temperatura maxima otel C Deplasare verticala(mm) Deplasarea verticala maxima Temperatura otel Temperatura ( C) Timp (min)

23 Structura nu a prezentat semne de cedare, doar voalari locale ale grinzilor in zona imbinarilor.

24 Concluzii in urma testelor efectuate la Cardington pe cladirea cu structura compusa otel-beton In nici unul din testele la foc efectuate nu s-a produs colapsul structurii; Comportare globala corespunzatoare a planseului compus, chiar in conditiile incalzirii grinzilor din otel la peste 1000 C; Robustete mare a sistemului structural prin redistribuirea eforturilor; Comportare la foc mai buna a elementelor in structura, fata de situatia considerarii elementelor izolate. Urmare a acestui program experimental, in care s-a evidentiat efectul de membrana care apare la planseele compuse in situatia de incendiu, s-au pus bazele unei metode de calcul care surprinde acest fenomen, metoda dezvoltata de Prof. Colin Bailey Universitatea din Manchester, Marea Britanie.

25 Stalp Grinda Planseu Metoda uzuala de proiectare la foc considera ca elementele considerate izolat (analiza pe elemente) au un comportament similar in structura

26 Comportamentul real al planseelor compuse Cresterea temperaturii in timpul incendiului (a) Incovoiere (b) (c) Efect membrana

27 Fara efect de membrana Efect de membrana

28 Efect de membrana Y Linie de rupere Zona fortelor de intindere Y X X Compresiune pe linia de rupere Intindere pe linia de rupere

29 Linii de rupere Grinzi neprotejate Grinzi protejate

30 L Compresiune nl k b K T o D C L C L E nl C A Element 1 Element 2 l S T 2 Element 1 F φ T 2 S b K T o T 1 b K T o Intindere Resistance in long span = T Moment = M 0 0 Element 2 l Resistance in short span = KT Moment = µm 0 0

31 Armatura pe directia lunga cedeaza l Linia de rupere Deplasare spre interior Strivirea betonului Linia de rupere Deplasare spre interior

32 Validarea metodei prin incercari experimentale 7 incercari la scara reala la Cardington 1 test la scara reala realizat la BRE test 10 teste la temperatura normala realizate in perioada 1960/ teste la scara redusa realizate la Universitatea din Sheffield in teste la scara redusa, la temperatura normala si la foc la Universitatea din Manchester Testele FRACOF si COSSFIRE sub actiunea focului standard ISO ests Test la scara reala la Universitatea din Ulster in 2010.

33 22 teste la temperatura normala si 22 teste pe modele identice la foc

34 PROGRAM DE INCERCARI LA FOC PE O PARCARE DESCHISA CTICM FRANTA Scop: evaluarea comportarii unei structuri compuse otel-beton pentru parcare deschisa, intr-un scenariu real de incendiu - 3 teste: primele doua au inclus 3 masini incendiate, al treilea a analizat raspandirea focului intre 2 masini asezate fata in fata - Stalpi si grinzi din otel fara protectie la foc 5m 16m 3 m 15 m 32m

35 2.5m 2.33m 5.0 m

36 0 min Test 1 Test 2

37 10 min Test 1 Test 2

38 Test 1 33 min 62 min

39 Test 2 25 min 44 min

40 Temperatura gaze fierbinti ( C) Test 1 Test Timp (min)

41 Temperatura otel ( C) Timp (min) Grinda1 -Test 1 Grinda2 - Test 1 Grinda1 - Test 2 Grinda2 - Test 2

42 50 Deplasare verticala (mm) Grinda 2 - Test 1 Grinda 1 - Test 1 Grinda 2 - Test 2 Grinda 1 - Test Time (min)

43 Vert. Disp. (mm) Time (min) Test Cal. 3D Cal. 2D Hori. Disp. (mm) B 3000 B A A

44 INCENDIUL DIN CLADIREA BROADGATE LONDRA, 1990 Cladire birouri P+14E, in constructie, sistemul de masuri active contra incendiului nu era operational Incendiul a inceput din interiorul unei baraci amplasate la etajul I Grinzi I, grinzi cu zabrele, in conlucrare cu planseul de beton, fara protectie la foc Stalpi partial protejati Temperaturile maxime ale gazelor fierbinti estimate la 1000 C; temperatura maxima a elementelor de otel neprotejate nu a depasit 600 C Fara cedare, desi planseul a suferit deplasari importante (peste 600mm)

45 INCERCARI LA FOC PE PLANSEE COMPUSE LA SCARA REALA SUB FOC ISO Metoda de calcul a planşeelor compuse ținând cont de efectul de membrană a fost realizată în principal pe baza încercărilor la foc natural. Conceptul de proiectare poate fi de asemenea aplicat folosind curba standard temperatură timp. In acest scop au fost realizate doua programe experimentale, in cadrul proiectelor europene FRACOF si COSSFIRE, finantate de Comisia Europeana prin RFCS

46 Specimene experimentale FRACOF (proiectat REI120) COSSFIRE (proiectat REI90) IPE270 IPE300 HEB200 HEB260 IPE270 IPE270 IPE400 IPE300 IPE400 Pin joint

47 FRACOF COSSFIRE

48 58 mm 101 mm 107 mm 62 mm Tabla cutata: COFRAPLUS mm Beton: C30/ mm FRACOF 135 mm COSSFIRE Plasa armatura 150x150mm Diametru: 7 mm Otel: S500 Distanta de la partea superioara a planseului: 50 mm FRACOF 35 mm COSSFIRE

49 Incarcare F R A C O F 15 saci nisip de 1512 kg Incarcare uniforma echivalenta: 390 kg/m² COSSFIRE 20 saci nisip de 1098 kg Incarcare uniforma echivalenta : 393 kg/m²

50 Pregatirea testului FRACOF

51 Evolutia temperaturii gazelor fierbinti 1200 Temperature ( C) ISO834 FRACOF COSSFIRE Time (min)

52 Evolutia temperaturii in grinzile neprotejate Temperature ( C) Time (min) FRACOF COSSFIRE A A B B C C

53 Evolutia temperaturii in grinzile protejate Temperature ( C) A B C Time (min)

54 Evolutia temperaturii in planseu Temperature ( C) DandE: reinforcing steel A' C Time (min) E D F Temperature ( C) A C E B D F DandE: reinforcing steel Time (min) FRACOF COSSFIRE

55 Evolutia deplasarilor verticale FRACOF D3 800 mm 1300 mm D3 D6 D7 COSSFIRE D4 D2 D mm D5 D2 D mm 1660 mm D4 D8 Vertical displacement (mm) D1 D2 D3 D Time (min) Vertical displacement (mm) Extrapolated results D1 D3 D2 D4 D5 D7 D8 D Time (min)

56 COSSFIRE strivirea betonului Strivirea betonului Fara cedare dupa 120 minute, chiar daca la o grinda de capat, din cauza protectiei la foc deteriorate au aparut deplasari excesive, care au cauzat strivirea betonului la partea superioara

57 FRACOF - Cedarea imbinarii sudate intre plasele de armatura Fisura Fara cedare dupa 120 minute, chiar daca la 105 minute a aparut o fisura centrala, cauzata de cedarea imbinarii intre plasele de armatura, realizata necorespunzator

58 Comparatie cu metoda de proiectare FRACOF COSSFIRE Test Metoda de proiectare Test Metoda de proiectare Rezistenta la foc - R (min) > > Sageata (mm) 450 (L+l)/30= (L+l)/30=522 Observatie Testele au fost oprite dupa 123 minute de foc ISO, fara a se produce cedarea planseelor

59 Concluzii in urma testelor sub foc ISO FRACOF si COSSFIRE Comportare la foc corespunzatoare a planseelor compuse protejate partial, sub foc ISO de lunga durata (> 120 minute) datorita efectului de membrana Robustete mare a sistemului structural, in prezenta unor cedari locale Metoda de proiectare ofera rezultate securitare in comparatie cu rezultatele experimentale

60 TESTUL FICEB GRINZI AJURATE

61

62

63 Densitatea sarcinii termice 700MJ/m 2 45 stive lemn (1m x 1m x 0.5 m inaltime) Încărcarea pe planşeu 3.25kN/m 2 44 de saci nisip, fiecare cu masa de 1 tona

64

65

66 Beam 5 Zone 3 Centre A B C D E F Temperature ( C ) Time (min)

67

68 Deplasarea verticala a planseului

69 Fisura

70 1 k ay,θ 0,8 Reduction factors 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ Temperature ( C)

71 Analiza numerica Model hibrid realizat in programul ANSYS, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite SHELL91 (6 DOF): Planseul de beton, fara nervuri BEAM24 : stalp PIPE16: conexiunea intre grinda si planseu Beam24 : grinda, tabla, nervuri

72 Model hibrid realizat in programul SAFIR, bazat pe diverse tipuri de Elemente Finite Element tip BEAM Element tip SHELL

73 Proprietatile termo-mecanice ale otelului: Proprietati termice conform EC4-1.2 Densitatea independenta de temperatura (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Stress [MPa] Strain 20 C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C

74 Proprietatile termo-mecanice ale betonului: Proprietati termice confiorm EC4-1.2 Desnitatea functie de temperatura conform EC4-1.2 Criteriul de cedare Drucker-Prager Factori de reducere conform EC4-1.2: Temperature [ C]

75 Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A C B A Grinzi otel neprotejate Grinzi secundare protejate C B A E D C A F B Grinzi principale protejate Planseu

76 Validarea modelului numeric ANSYS cu testul FRACOF Deformata planseului, simulata numeric la finalul testului Displacement (mm) Central part Mid-span of of of the floor unprotected beams central secondary beams Mid-span of protected primary beams Test Simulation Mid-span of protected edge secondary beams Time (min) Comparatia deplasarilor

77 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A Grinzi secundare neprotejate E D C A F B Planseu

78 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FRACOF Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului Comparatia deplasarilor

79 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica C B A Grinzi secundare neprotejate E D C A F B Planseu

80 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul COSSFIRE Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului Comparatia deplasarilor

81 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Comparatie cu incercarile experimentale analiza termica Grinzi neprotejate Planseu

82 Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Model hibrid pentru a considera comportamentul grinzilor ajurate, utilizand elemente BEAM 1 k ay,θ 0,8 Reduction factors 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ Temperature ( C) 1,0 Reduction factors (x 1E-3) 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ 0, Temperature ( C)

83 Comparatia deplasarilor Validarea modelului numeric SAFIR cu testul FICEB Tensiuni simulate numeric in planseu, la finalul testului

84